Поиск

Общая биогеохимическая и почвообразующая роль организмов
27.10.2015

В настоящее время еще невозможно в полной мере охарактеризовать общую биогеохимическую и почвообразующую роль организмов. Наиболее глубоко этот вопрос рассмотрен в исследованиях В.И. Вернадского. Следует различать ряд так называемых биогеохимических функций, выполняемых организмами и имеющих особую роль в почвенных процессах.
а. Функция газообмена. Метаболизм организмов, их дыхание и обмен с внешней средой охватывают обширную совокупность разнообразных реакций, ведущих к поглощению и выделению кислорода, угольной кислоты, метана, воды, аммиака, паров воды и др.; в конечном счете атмосфера, почвенный воздух, а также воздух, растворенный в грунтовых водах, реках и океанах, по составу соответствуют газовой функции организмов.
Подсчеты показывают, что вся угольная кислота атмосферы примерно за 10 лет может пройти через фотосинтез земных, растений. В. И. Вернадский полагает, что в течение только одного года жизни организмы «передвигают» в разной форме в несколько раз больше газов, чем их содержится в атмосфере. Таким образом, кислород, азот, углекислота атмосферы и почвенного воздуха в своей истории многократно прошли через живое вещество.
Современный состав атмосферы, газовой фазы почвы и гидросферы обусловлен воздействием организмов за всю историю их существования и современной жизнедеятельностью.
Частью газовой функции является кислородная функция V, выполняемая растениями. Кислородная функция организмов ведет свое начало с появления низших зеленых растений. Роль кислородной функции растений непрерывно расширялась, так как появлялись все более и более развитые и многочисленные формы высших зеленых растений, обладающих способностью фотосинтеза.
б. Функция окисления. В ходе процессов выветривания, миграции веществ, в развитии почвообразовательного процесса огромная роль принадлежит окислительной функции организмов. Окислительная функция выполняется весьма древними по происхождению организмами — бактериями, большей частью гетеротрофного типа. Появление автотрофных организмов, особенно зеленых растений, коренным образом изменило окислительно-восстановительные условия на поверхности земной коры.
Господство восстановительного режима на Земле, вызванное относительно большим содержанием углекислоты и относительно меньшим содержанием кислорода в атмосфере раннего прошлого нашей планеты, сменилось преимущественным влиянием окислительного режима, связанного с деятельностью зеленых растений, окисляющих бактерий и с возрастанием содержания кислорода в атмосфере.
Судьбы соединений меди, железа и марганца, нитритов, сульфидов, а также история углерода, азота, серы и фосфора в коре выветривания, в осадочных толщах и в почвенном покрове существенно изменились после появления бактерий, водорослей и особенно высших растений и животных.
в. Функция восстановления. С другой стороны, появление микроорганизмов, способных к существованию в условиях анаэробной среды, внесло много нового в совокупность реакций, ведущих к восстановлению минеральных и органических соединений. Восстановительные функции по преимуществу выполняются специфическими бактериями и грибами, обусловливающими развитие реакций десульфирования, денитрификации, с образованием сероводорода, окислов азота, сернистых металлов, метана, водорода.
Образование осадочных пород в подводных условиях, почвообразование при недостатке воздуха и избыточном увлажнении обычно сопровождаются резко выраженным влиянием микроорганизмов, вызывающих восстановительные процессы. Однако в ходе истории жизни на земном шаре, после появления растений и накопления в атмосфере кислорода, геохимическое значение восстановительных реакций уменьшилось.
г. Концентрация и выделение солей кальция. Особенно важной в биогеохимии и почвообразовании является функция концентрации и выделения слаборастворимых солей кальция в виде карбонатов, фосфатов и некоторых органических солей (соли щавелевой кислоты и др.). Способностью концентрировать и в последующем выделять соли кальция в нерастворимый осадок обладают многочисленные виды бактерий, одноклеточные животные, водоросли, мхи, высшие растения и животные.
В процессе развития жизни на земном шаре биогенное концентрирование солей кальция усилилось после появления высших травянистых растений, в составе золы которых соли кальция занимают большое место. Существование моллюсков, кораллов, мшанок и особенно позвоночных животных также усилило концентрирование малоподвижных соединений кальция в осадочных породах.
Образование биологического круговорота кальция и концентрирование его соединений в почвах являются одной из важнейших функций растительных и животных организмов в почвообразовательных процессах.
Если на ранних стадиях геологической истории Земли происходили хемогенные процессы миграции и аккумуляции солей кальция, то по мере развития жизни они все больше уступали место биогенным формам движения и накопления солей кальция в литосфере, гидросфере и в почвах.
д. Концентрирование элементов из рассеянного состояния. Постоянное нахождение в составе животных и растительных тканей большого числа химических элементов и особенно избирательное поглощение ряда элементов приводит к тому, что последние в резко выраженной форме аккумулируются в осадочных породах и в гумусовых горизонтах почв. Скопление в осадочных толщах углей, лигнитов, горючих сланцев, фосфоритов начало проявляться лишь после того, как жизнь на Земле достигла высокого уровня развития.
В.М. Гольдшмидт доказал, что в золе ископаемых углей обычно наблюдается весьма резко выраженная аккумуляция бора, германия, мышьяка, висмута, что связано с явлениями избирательного концентрирования этих элементов растениями. Иод, бром, ванадий обычно концентрируются вместе с органическим веществом нефти и битумов.
Плодородие почв, наличие элементов минерального питания растений — Р, К, В, S, Ca, N и многих других — является следствием способности организмов концентрировать эти элементы в своих тканях и отдавать их почве прижизненно и посмертно. Развитие жизни на земном шаре способствует непрерывному возрастанию биогенной концентрации элементов в почвенных горизонтах, в новейших осадочных породах.
е. Функция синтеза и разложения органического вещества. Непрерывность биологического круговорота веществ связана с постоянными и последовательными процессами синтеза и разрушения биомассы. На суше образуется и разрушается ежегодно до 55 млрд. т растительного органического вещества. Более 90% этой массы в конечном счете ежегодно переходит в газовую фазу, а остальное — в промежуточные органические соединения, в гумус, в минеральные соли. Колоссальную и непрерывную работу по разрушению органического вещества, его ресинтезу и минерализации выполняют травоядные и хищные животные, грибы, бактерии, беспозвоночные (особенно черви и насекомые).
В ходе геологической истории громадные массы торфа, углей, битуминозных веществ, нефти и рассеянного органического вещества захоронялись в осадочных породах. Вместе с тем непрерывно шел процесс гумусообразования, синтеза и минерализации почвенного гумуса. В итоге функция синтеза и минерализации органических веществ привела к повсеместному обособлению на суше гумусового горизонта, что является всеобщим и наиболее важным результатом биологического круговорота веществ и биогенной трансформации горных пород в почву. Этот слой может быть назван гумосферой. Ничтожная по мощности, эта оболочка является энергетически и биологически наиболее активной частью почвенного покрова, определяющей уровень и потенциальные возможности его плодородия.
Образование гумусовой оболочки является этапом круговорота углерода и азота на Земле. Продолжительность цикла оборота углерода, принимая во внимание его участие в образовании фитомассы, зоомассы и микробной массы в почвах, включая полную минерализацию почвенного гумуса, в среднем составляет 200—600 и, вероятно, не более 1000 лет.
Некоторая часть синтезированного органического вещества, однако, уходит из этого почвенного цикла углерода в осадочные породы и на формирование сапропелей, торфа и т. д. Таким образом, формирование гумусовой оболочки на суше является частью более общего планетарного круговорота углерода и связано с фотосинтезом, пищевыми цепями, почвообразованием и минерализацией органики вплоть до двуокиси углерода (рис. 12).

Общая биогеохимическая и почвообразующая роль организмов

Ежегодный синтез растительной биомассы сопровождается не только поглощением углерода, азота, водорода и кислорода, но также переходом в растительное органическое вещество значительного количества других элементов.
Среднее содержание зольных веществ на сухой вес в растениях составляет 5—8%, колеблясь от 1 до 40—45% (в галофитах). В итоге растительность суши фиксирует и возвращает при минерализации огромное количество различных зольных веществ — в общем около n*108—1*109 т ежегодно. В процессе разложения органического вещества минеральные компоненты поступают в почву, где они накапливаются относительно и абсолютно в верхних горизонтах вместе с гумусом.
Биогенное накопление элементов при образовании почвы является вторым аспектом превращения горных пород в почвы под воздействием многих поколений организмов. Количество минеральных соединений, входящих в этот круговорот, далеко не равнозначно в различных ассоциациях растений. Травяная растительность прерий, степей и лугов вносит в биологический круговорот до 500—700 кг/га в год зольных веществ. Бореальные хвойные леса вовлекают всего 70—200 кг/га в год золы, растительность полупустынь и пустынь — еще меньшее количество. Человек может направлять характер биологического круговорота минеральных веществ путем изменения состава культурной растительности и внесения удобрений.
Ниже приводятся данные, характеризующие порядок величин суммарной биомассы суши, фотосинтеза на суше, биогенного оборота зольных веществ (в т) в сопоставлении с химическим и твердым стоком рек планеты. Это все явления близкого порядка.
Общая биогеохимическая и почвообразующая роль организмов

Ежегодная мобилизация минеральных веществ растительным покровом на 1 км2 суши в среднем составляет 30—50—70 т. Если сопоставить эти данные с данными Кларка о среднем химическом сносе на земной суше, равном 26,4 т/км2, то можно видеть, что в биологическом круговороте минеральных веществ ежегодно находится в несколько раз больше минеральных соединений, чем захватывается и уносится геохимическим потоком в реки и моря.
Таким образом, совокупность лесной и травянистой растительности «удерживает» на суше ежегодно до миллиарда тонн минеральных веществ. Суммарный же химический сток на земном шаре, по данным Кларка, составляет 2735 млн. т. По этом данным можно судить о том, как велика роль биологического круговорота минеральных веществ системы растения — почвы в образовании типов коры выветривания, гидросферы и почвенного покрова.
Нужно отметить, что рассмотренные примеры общей биогеохимической роли организмов далеко не исчерпывают всего значения живого вещества в земной коре и почвообразовании. В последующем нам придется еще возвращаться к этому вопросу неоднократно в связи с анализом роли микроорганизмов, животных и растений в почвообразовании.
В действительности перечисленные функции организмов тесно связаны одна с другой и протекают в значительной степени параллельно.
Итак, атмосфера, гидросфера, литосфера и почвенный покров в их современном состоянии несут на себе черты глубокого влияния биосферы и организмов, населяющих биосферу. Процессы выветривания и образования осадочных пород со времени палеозоя происходили при участии живых организмов и древнего почвообразования. Большая часть отложений извести, значительная часть скоплений глин, фосфоритов, осадочных месторождений железа и марганца, опок и диатомитов в своем происхождении связаны с жизнедеятельностью организмов.
Однако было бы ошибкой недооценивать тот факт, что определяющее влияние в формировании литосферы, включая и кору выветривания, принадлежит собственно геологическим и космическим факторам. В несравненно большей степени продуктом биологического круговорота веществ является почвенный покров земного шара.